基于納米技術(shù)的改性瀝青

基于納米技術(shù)的改性瀝青

未表面改性的納米Ⅰ改性瀝青性能

為了消除制備過程中加熱對改性效果的影響（主要是瀝青老化），對基質(zhì)瀝青也進(jìn)行同樣的加工處理，以使改性效果評價(jià)更為準(zhǔn)確。添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（相對于基質(zhì)瀝青）的未表面改性納米Ⅰ，并經(jīng)第１．２節(jié)工藝①制備的改性瀝青，其基本路用性能如表１所示。由表１可以看出，添加納米Ⅰ后基質(zhì)瀝青的針入度減小，軟化點(diǎn)和粘度提高，延度降低，且添加量越大，改善效果越明顯。納米Ⅰ具有巨大的比表面積，其表面能量可以顯著改變?yōu)r青的性能，使瀝青的高溫性能得以提高，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７％時(shí)，軟化點(diǎn)可以提高１０℃，６０℃粘度提高了３倍以上；但納米Ⅰ的摻入可能會(huì)造成低溫性能的下降。

表面改性工藝對瀝青性能的影響

采用直接從市場上購買的３種常用成品表面改性納米Ⅰ粒子制備改性瀝青，制備工藝按第１．２節(jié)中工藝①，納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為基質(zhì)瀝青的５％。試驗(yàn)結(jié)果與基質(zhì)瀝青性能相比，評價(jià)其改性效果；并與未改性的納米Ⅰ粒子相比，評價(jià)表面改性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表２所示。由表２可以看出，各種表面改性納米Ⅰ的摻入，使得基質(zhì)瀝青性能均有不同程度的改變，如軟化點(diǎn)與粘度有不同程度的提高，延度有所降低，針入度則沒有明顯的變化規(guī)律。而與未改性的納米Ⅰ相比，改性之后對基質(zhì)瀝青性能的改善效果不但沒有提高，反而有所削弱。原因可能是，本文中所選用的幾種方案，均為復(fù)合材料領(lǐng)域常用的方案，在改性瀝青領(lǐng)域尚無前人嘗試過；或者是由于市售產(chǎn)品的質(zhì)量問題，未能實(shí)現(xiàn)納米粒子的有效改性所致?？傊?，試驗(yàn)結(jié)果表明，這些方案并不適合于瀝青改性，同時(shí)也說明，納米粒子的表面改性對瀝青的性能有顯著影響，不同的表面改性工藝導(dǎo)致不同的改性效果，應(yīng)根據(jù)基體材料的特殊屬性選擇適宜的改性方案。為此，本文中提出了如第１．２節(jié)中所述的改性瀝青制備工藝②，以獲得性能較好且能夠穩(wěn)定相容的改性瀝青，具體試驗(yàn)結(jié)果述于下文。

改性瀝青性能

采用第１．２節(jié)中工藝②所述的方案制備改性瀝青，試驗(yàn)結(jié)果如表３所示，其中分散劑的用量為占納米Ⅰ粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由表３可以看出，采用不同的分散劑以及不同的用量，所得改性瀝青的性能差異很大。盡管分散劑的用量非常少，只是納米Ⅰ用量的百分之幾，與基質(zhì)瀝青相比更是微乎其微，但對最終性能的影響卻有顯著差異。在所有的方案中，針入度最大相差１．５ｍｍ，軟化點(diǎn)最大相差３．６℃，延度最大相差１０ｃｍ，粘度相差３倍。在制備過程中，分散劑的用量應(yīng)適宜，太少不能形成分散效果，過多又會(huì)在粒子表面形成多分子吸附層，造成分散劑與基體的接觸，不能充分發(fā)揮納米粒子自身的功能特性，同時(shí)表面過量的自由高分子鏈也容易發(fā)生橋連，顆粒變大沉降，使相容體系失穩(wěn)［１９］。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，主要考慮軟化點(diǎn)與粘度等高溫指標(biāo)，綜合考慮其他性能，可以發(fā)現(xiàn)：采用Ａ作為分散劑，在摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后文同）為７％時(shí)效果最好；使用Ｂ作為分散劑，在摻量為１．５％時(shí)效果最好；使用Ｃ作為分散劑，在摻量為２％時(shí)效果最好。其中又以添加２％Ｃ的方案為最優(yōu)，與添加未改性納米Ⅰ的瀝青相比，軟化點(diǎn)和粘度均有顯著的提高，因此該方案是目前的最佳改性方案，性能評價(jià)中也采用此方案。需要說明的是，現(xiàn)有試驗(yàn)方法反映的是改性瀝青的宏觀性能，對于納米粒子在基質(zhì)瀝青中的微觀分布，筆者計(jì)劃采用微觀觀測的手段進(jìn)一步研究，限于篇幅，相關(guān)成果將于另文給出。

納米Ⅰ與ＳＢＳ復(fù)合改性瀝青

為了評價(jià)納米Ⅰ對聚合物改性瀝青性能的影響，本文中采用第１．２節(jié)中工藝③的方案制備納米Ⅰ與ＳＢＳ復(fù)合改性瀝青，試驗(yàn)結(jié)果如表４所示。由表４可以看出，納米Ⅰ與ＳＢＳ復(fù)合改性瀝青在ＳＢＳ改性瀝青的基礎(chǔ)上高、低溫性能均有所提高，具體表現(xiàn)為軟化點(diǎn)和粘度等高溫指標(biāo)的提高，且低溫延度并沒有降低反而有所增加。同時(shí)隨著納米Ⅰ摻量的增加，改變效果更為顯著。因此納米Ⅰ與ＳＢＳ復(fù)合改性的方案在實(shí)際生產(chǎn)中，只需要有用于制作ＳＢＳ改性瀝青的高速剪切設(shè)備即可，無需增加額外設(shè)備。２．５ＤＳＲ試驗(yàn)ＤＳＲ試驗(yàn)選用ＢｏｈｌｉｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ生產(chǎn)的ＣＶＯ１００型自動(dòng)流變儀，根據(jù)Ｓｕｐｅｒｐａｖｅ瀝青結(jié)合料規(guī)范，以１０ｒａｄ?ｓ－１的固定角速率（頻率為１．５９Ｈｚ）進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切。試驗(yàn)按照ＡＡＳＨＴＯＴ３１５規(guī)范操作，選擇車轍因子作為評價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如表５所示。由表５可以看出，以６４℃的車轍因子作為高溫評價(jià)指標(biāo)，不論是基質(zhì)瀝青還是ＳＢＳ改性瀝青，納米Ⅰ的加入都可以明顯改善其高溫性能。如果不考慮老化的影響，以原樣瀝青Ｇ＊／ｓｉｎ（δ）＞１．０ｋＰａ作為高溫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，納米Ⅰ改性瀝青比基質(zhì)瀝青提高了２個(gè)溫度等級(jí)，與ＳＢＳ改性瀝青相當(dāng)，而納米Ⅰ與ＳＢＳ復(fù)合改性瀝青在此基礎(chǔ)上又提高了１個(gè)溫度等級(jí)，表明納米Ⅰ可以顯著提高瀝青的高溫性能。

零剪切粘度指標(biāo)

隨著路面膠結(jié)料新材料的出現(xiàn)和相關(guān)研究工作的不斷深入，尤其是改性瀝青在公路施工中的大量使用，人們發(fā)現(xiàn)車轍因子與改性瀝青混合料的抗車轍性能關(guān)聯(lián)性較差，即用車轍因子很難正確地預(yù)測改性瀝青混合料的抗車轍性能［２０］。近年來，研究發(fā)現(xiàn)瀝青膠結(jié)料的零剪切粘度（ＺＳＶ）與瀝青混合料的抗車轍性能有較好的關(guān)聯(lián)性，其不僅適用于重交瀝青，而且也適用于改性瀝青［２１－２３］。該指標(biāo)的提出在以歐洲為首的許多國家和地區(qū)引起了廣泛的關(guān)注。由表６可以看出，根據(jù)頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算所得的ＺＳＶ與試驗(yàn)所得的布氏粘度在數(shù)值上有一定出入，但某規(guī)律是一致的，即粘度由大到小依次為５％ＳＢＳ＋５％Ⅰ，５％ＳＢＳ，５％Ⅰ＋２％Ｃ，ＡＨ－７０。由圖１可以看出，４種瀝青的復(fù)合粘度均隨著頻率的增加而降低，明顯表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，即剪切觸變性。同時(shí)可以看出，隨著頻率的增加，納米Ⅰ加入的影響逐漸減弱，如頻率大于１Ｈｚ時(shí)，基質(zhì)瀝青ＡＨ－７０與５％Ⅰ＋２％Ｃ改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；頻率大于３Ｈｚ時(shí)，ＳＢＳ改性瀝青與５％ＳＢＳ＋５％Ⅰ復(fù)合改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果趨于一致，表明納米Ⅰ在低頻條件下對瀝青性能的影響可能更為顯著。根據(jù)時(shí)溫等效原則，低頻對應(yīng)高溫，因此納米Ⅰ對于改善瀝青在高溫條件下的性能將更為顯著。

ＢＢＲ試驗(yàn)

ＢＢＲ試驗(yàn)采用ＣａｎｎｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ生產(chǎn)的ＴＥ－ＢＢＲ設(shè)備，采用氣動(dòng)加載方式，可實(shí)現(xiàn)精確預(yù)加載、卸荷和試驗(yàn)過程中的恒荷控制，試驗(yàn)溫度設(shè)定為－１２℃，按ＡＡＳＨＴＯＴ３１３規(guī)范的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)得到４種瀝青的蠕變勁度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖２所示，３０ｓ時(shí)的蠕變勁度Ｓ和蠕變速率ｍ如表７所示。ＳＨＲＰ研究認(rèn)為，若瀝青材料的Ｓ太大，則呈現(xiàn)脆性，路面容易開裂破壞，而表征瀝青勁度隨時(shí)間的變化率ｍ值越大，則意味著當(dāng)溫度下降使路面產(chǎn)生收縮時(shí)，結(jié)合料的響應(yīng)如同降低了材料的勁度，從而導(dǎo)致材料中的拉應(yīng)力減小，低溫開裂的可能性也隨之減小。由圖２和表７可以看出，４種瀝青均能夠滿足在３０ｓ時(shí)的Ｓ＜３００ＭＰａ，ｍ＞０．３的要求，因此均滿足－２２的低溫等級(jí)。５％Ⅰ＋２％Ｃ的蠕變速率ｍ值小于基質(zhì)瀝青ＡＨ－７０，說明納米Ⅰ的加入降低了基質(zhì)瀝青的低溫抗斷裂性能，這與低溫延度指標(biāo)的結(jié)果是一致的。而對于ＳＢＳ改性瀝青，納米Ⅰ的加入則使ｍ值增大，提高了低溫性能，這也與低溫延度指標(biāo)的規(guī)律一致。然而ＳＢＳ改性瀝青的ｍ值比基質(zhì)瀝青小很多，若據(jù)此推斷ＳＢＳ改性瀝青的低溫性